武漢至大悟高速公路鋼箱梁橋面鋪裝結構方案

黃權鋒

[林同棪國際工程咨詢（中國）有限公司武漢分公司，湖北 武漢 430000]

1 工程概況

武漢至大悟高速公路是湖北省人民政府批復（鄂政函[2012]309號）的《湖北省省道規劃綱要（2011～2030年）》“九縱五橫三環”高速公路布局方案中武漢市14條放射線之一，是武漢市北向出口路、北部路網中的主要干線公路，是武漢市和中原城市群的快速通道。

該項目全線建設里程85.75km，設計速度分段分別采用60、80、100、120（km/h），雙向6車道標準[1-2]。

主要控制點：漢口北大道、新十公路、萬家咀轉盤、西河、繞城高速、岱黃高速、黃陂前川城區、川龍大道、武麻鐵路、祁水線、黃孝線、橫花線、黃土公路、G346、麻竹高速。

沿線路網分布：高速公路有武漢市北四環線（在建）、繞城高速公路、岱黃高速公路、漢十高速公路、麻竹高速公路，地方道路有漢口北大道、新十公路、黃孝公路、橫花公路、黃土公路、G346等。

全線與市政道路、快速路、高速相交較多，橋梁最大跨徑70m，最小跨徑27m。為不影響橋下正常交通，且避免互通路線縱向標高太高，相交位置均采用鋼箱梁跨越，標準鋼箱梁斷面型式見圖1所示。

2 方案設計

圖1 標準鋼箱梁斷面型式示意圖（單位:mm）

眾所周知，正交異性鋼橋面板在橋梁建設中應用廣泛。但是，大量工程實踐表明，正交異性鋼橋面板容易產生兩類典型病害問題：（1）在重載汽車高頻率作用下，鋼橋面板的焊縫和構造容易產生疲勞裂縫，如廣東的虎門大橋，因交通繁重，運營不到十年便出現了大量疲勞裂縫；（2）鋼結構橋面的瀝青鋪裝層使用期限較短，極易出現開裂、車轍、坑槽等病害，需頻繁維修，如早些年在網上引起熱議的“武漢第三長江大橋10年24修”等。這些病害嚴重影響到鋼橋面的耐久性和使用性能，甚至可能給橋梁的安全性帶來隱患。

上述兩類病害問題是正交異性鋼橋面所固有的。事實上，我國現有的“正交異性鋼橋面+瀝青鋪裝層”的橋面體系已難以承擔重載交通量大、夏天橋面溫度高達70℃的雙重影響。理論和工程實踐表明，無論采用何種性能優良的瀝青混凝土材料，也只可能解決鋼橋面鋪裝的問題而不能起到有效降低正交異性鋼橋面板中應力的作用，不能防止橋面鋼結構的疲勞開裂，原因是瀝青混凝土的彈性模量很低，只有約1200MPa左右。

為綜合解決上述典型病害問題，采用鋼-超高韌性混凝土輕型組合橋面結構，見圖2所示。其中的超高韌性混凝土（簡稱STC）是一種強度高、模量高、韌性高、耐久性高的“四高”新型混凝土材料，其開裂強度可達40MPa，開裂拉應變可達1100με，在等效拉應力為0～21.3MPa拉應幅作用下，抗疲勞壽命超過300多萬次。

圖2 超高性能輕型組合橋面結構構造示意圖

該項目鋼箱梁橋面鋪裝方案具體如圖3所示。

圖3 鋼箱梁橋面鋪裝構造示意圖（單位：mm）

STC混凝土采用STC22，栓釘尺寸為Φ13×40mm，縱橫橋向布置間距150mm×150mm。STC層內配置間距37.5mm的HRB400級鋼筋網片，其中橫橋向鋼筋位于縱橋向鋼筋的上層。

STC層主要材料采用石英砂+水泥+鋼纖維+STC干混料+水按一定比例配制而成。

3 方案優勢

3.1 抗彎剛度

STC層可以提高橋面局部抗彎剛度30～40倍，甚至更多。現以橫橋向受力為例，進行橋面剛度的對比。

情形一：對于單位寬度的12mm厚的鋼面板，其抗彎剛度為I1=1/12×1×0.0123=1.44×10-7m7；

情形二：對于單位寬度12mm的鋼面板+45mm厚STC薄層，鋼與STC層的模量比為200GPa/40GPa=5，將STC層換算成鋼，則STC層的寬度縮小為0.2m，組合板的抗彎剛度為I2=5.84×10-7m6。

上述兩種情形的橋面板抗彎剛度比為I2/I1=40.6倍。

3.2 疲勞

能比較明顯地降低鋼橋面在汽車車輪荷載作用下的應力幅數值，達到延長鋼橋面的疲勞壽命周期。根據北京鐵科檢測中心對廣東肇慶馬房大橋第11跨鋼橋面的檢測結果，鋪設STC層后，縱肋底面的縱向拉應變和鋼面板底面的橫向拉應變降幅分別達到了80%和92%，降幅十分顯著。因此，STC層可以降低甚至消除鋼橋面的疲勞開裂病害，從而有望顯著提高鋼橋面的抗疲勞壽命周期。

3.3 經濟性

STC層為永久性結構層，將鋼橋面鋪裝轉化為混凝土橋面鋪裝，在運營中無需更換，僅需對鋪裝層定期翻修，而STC層上的鋪裝層為普通瀝青材料，價格低廉、施工便利，其運營維護成本遠低于鋼橋面上的其他鋪裝材料。

以環氧瀝青鋪裝為例，其單價約為1400元/m2，一般平均每8年更換一次，全壽命期內需鋪筑12次，則每平米鋼橋面鋪裝全壽命成本為：C1=0.14萬元/m2·次×12次=1.68萬元/m2。

對于鋼-STC輕型組合橋面結構，其價格約為1500元/m2，由于STC層為永久性結構層，大橋全壽命期內無需更換，而僅需對其頂面的瀝青鋪裝進行翻修，其單價為80元/m2，全壽命期內同樣需鋪筑12次，則每1m2鋼橋面鋪裝全壽命成本每m2為：C2=0.15萬元/次×1次+0.008萬元/次×12次=0.246萬元/m2。

STC層相較于環氧瀝青鋪裝的成本節約（C1-C2）/C1=85.4%，全壽命成本節約十分顯著。

4 施工要點

（1）STC層的施工專業性要求較高，需做過類似工程的技術人員和具備專業施工資質的施工單位來實施，并要求有相關施工設備。

（2）在正式施工之前，應先進行一段試驗段施工，保證施工設備可以正常有效運轉，并確認各工序流程控制的關鍵點，以保證可管可控。

（3）鋼橋面不需要噴砂除銹（若已完成噴砂除銹可保留），完成鋼橋面浮銹清理后，在鋼橋面板四周涂刷50cm寬環氧富鋅防銹漆，然后施工栓釘和鋼筋網片。

（4）因橋梁跨徑和寬度較大，STC層需分段進行澆筑，設置縱橫向強化接縫即施工縫。之后施工時，需對前一階段的STC層進行鑿毛處理。

（5）因STC層的特殊性，攤鋪完成后，需進行高溫蒸養，應根據現場條件和養護要求制定詳細的養護方案和操作流程。

（6）全橋STC層施工完成后，應對其表面進行拋丸或者刻槽，拋丸方向和槽口的朝向應沿著橋梁的橫橋向。

5 結 語

STC層比較明顯地提高了鋼結構橋面板的剛度，降低了正交異性鋼橋面構造節點處的荷載應力，從而降低甚至是基本消除了鋼橋面板的疲勞開裂病害問題。STC層為永久性結構層，在運營中無需更換，僅需對鋪裝層定期翻修，而STC上的鋪裝層為普通瀝青材料，價格低廉、施工便利，其運營維護成本遠低于鋼橋面上的鋪裝材料。另外，由于STC層厚度薄、自重輕，能適用于各種跨徑的鋼橋。

因此，為防患于未燃，避免武漢至大悟高速公路中鋼橋段的橋面系在運營中出現病害問題，并降低橋面系的全壽命維護成本，采用鋼-STC輕型組合橋面結構，可為類似鋼橋建設提供借鑒。